JP2023536021A - ブラシレス電気モータ - Google Patents

Abstract

ブラシレス電気モータが開示される。永久磁石のグループは、圧電アクチュエータのグループに物理的に取り付けられている。圧電アクチュエータは、電気的に起動されると、永久磁石のグループを第２グループの永久磁石に向かって押すか、またはそれらを第２グループの永久磁石から引き離す。第２のグループの永久磁石はまた、第２のグループの圧電アクチュエータで押され、引かれてもよい。電磁石を使用する代替構成も開示される。圧電作動モータの効率を最大にする電磁石グループの新規な構成も開示される。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を用いて永久磁石または電磁石を一緒に押すか又は引き離して回転力を生成し、高効率で大きなトルクを供給する新しいタイプのブラシレス電気モータに関する。永久磁石の新規な構成により、モータアセンブリは、負荷時および長い動作時間にわたって安定した状態で、大きなトルクを送達することができる。

優先権の主張
本出願は、２０２０年７月２８日に米国特許商標庁に出願された「ブラシレス電気モータ（ＢＲＵＳＨＬＥＳＳ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＭＯＴＯＲ）」という名称の米国特許出願第１６／９４１，４７７号からの優先権を主張する。この出願と前記米国出願は、少なくとも１人の発明者を共有し、開示と請求された発明の両方の連続性を有する。

本発明は、ブラシレス電気モータに関する。電気モータは当技術分野でよく知られており、「ブラシレス」タイプの電気モータは２０世紀後半から始まり、ブラシタイプの電気モータが機能することを可能にする物理的整流子（極性反転スイッチ）を置き換えるために、固体エレクトロニクスを使用する。両方のタイプの電気モータは、周期的に極性が反転する電磁石を使用し、この電磁石は、回転する磁気素子（ロータと呼ばれる）上で交互に押したり引いたりする（またはモータのタイプに応じてどちらか一方のみを行う）。このとき、電磁石自身は、回転子（ｒｏｔａｔｏｒ）（ステータと呼ばれ動かない素子）に対して固定位置に留まっている。

ブラシレスモータは摩擦負荷が少なく、機械部品が少ないので、多くの点で大幅な改良であったが、多くの非効率性を有する。電磁石を絶えず逆転させることは電気的非効率を引き起こし、電磁石の巻線は、モータを非効率にするか又は機能を停止させる疲労および／または熱破壊を被る可能性がある。ブラシレスモータは、典型的には電気エネルギーと比較して機械エネルギーの点で５０％を超える効率であるが、ワイヤ加熱、抵抗などの様々な要因によるエネルギーの損失を被る。ブラシレスモータは、複雑に巻かれた電磁ロータ及び／又はステータ磁石を必要とし、これらは高価であり、構成するのに非効率的である。電磁石はまた、かなり重く、寄生負荷および／または重量の非効率性に寄与する。

電磁石を使用しないことにより、構築するのにより効率的でより経済的であったブラシレス電気モータは、有用な発明であろう。

電磁石を使用しないことにより、電力についてより効率的かつ経済的であったブラシレス電気モータは、有用な発明であろう。

電磁石を使用しないことにより、より耐久性があり、信頼性があるブラシレス電気モータは、有用な発明であろう。

電磁石を使用しないことにより、電磁石を使用した等価出力のモータよりも軽いブラシレス電気モータは、有用な発明であろう。

本発明は、これらの問題に対処する。

本発明の多くの目的の中には、電気エネルギーから機械エネルギーを生成する源として圧電インパルスおよび永久磁石を使用するブラシレス電気モータの提供がある。

本発明の別の目的は、電磁石を使用しないことにより、構成するのにより効率的かつ経済的であるブラシレス電気モータを提供することである。

本発明の別の目的は、電磁石を使用しないことにより、より効率的かつ経済的に動作するブラシレス電気モータを提供することである。

本発明のさらに別の目的は電磁石を使用しないことにより、より耐久性があり、維持がより容易なブラシレス電気モータを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、電磁石を使用しないことにより、等価出力の従来のブラシレス電気モータよりも軽量であるブラシレス電気モータを提供することである。

本発明の他の利点および目的は、本明細書の出願および開示を読むことによって明らかになるであろう。

図１は、ブラシレス電気モータの斜視図を示す。 図２は、ブラシレス電気モータの第１の代替実施形態の上面図を示す。 図３は、ブラシレス電気モータの第１の代替実施形態の切り欠き斜視図を示す。 図４は、接合ステータ及びロータ素子の詳細図を示す。 図５は、第１の代替実施形態のブラシレス電気モータアセンブリの分解斜視図を示す。 図６は、ブラシレス電気モータの第２の代替実施形態の上面図を示す。 図７は、第２の代替ブラシレス電気モータアセンブリの分解斜視図を示す。 図７ａは、第２の代替的なブラシレス電気モータアセンブリの代替的な分解斜視図を示す。 図７ｂは、第２の代替的なブラシレス電気モータアセンブリの切り欠き図を示す。 図８は、ブラシレス電気モータの第３の代替実施形態の斜視図を示す。 図９は、ブラシレス電気モータの第３の代替実施形態の断面斜視図を示す。

ここで、添付の図面に示される本発明のいくつかの実施形態を詳細に参照する。可能な限り常に、同一または同様の参照番号が、図面および説明において、同一または同様の部品またはステップを指すために使用される。図面は簡略化された形態であり、正確な縮尺ではない。便宜上および明瞭さのために、図面に関して、頂部（ｔｏｐ）、底部（ｂｏｔｔｏｍ）、左、右、上（ｕｐ）、下（ｄｏｗｎ）、上（ｏｖｅｒ）、上（ａｂｏｖｅ）、下（ｂｅｌｏｗ）、下（ｂｅｎｅａｔｈ）、後（ｒｅａｒ）、および前（ｆｒｏｎｔ）などの方向用語を使用することができる。これらの及び同様の方向の用語は、いかなる方法でも本発明の範囲を限定すると解釈されるべきではない。取り付ける（ａｔｔａｃｈ）、接続する（ｃｏｎｎｅｃｔ）、結合する（ｃｏｕｐｌｅ）、およびそれらの類似言語形態素を有する同様の用語は、必ずしも直接的または中間的な接続を示すものではなく、媒介素子または装置を介した接続を含むこともできる。

図面に記載された好ましい実施形態のサイズ及び構成は開示を明確にするために誇張されており、実際には、本発明の実施形態の素子間の公差がはるかに正確であることに留意されたい。本発明の特徴は、このような非常に正確な公差を可能にすることである。

本発明の目的のために、圧電アクチュエータは、電源に「電気的に接続」されるものとして説明される。このような接続は、物理的な導体（ワイヤ、プリント回路基板の導電経路、導電性インキ等）を介して、または電源が圧電アクチュエータにエネルギーを供給し、圧電作用によって圧電アクチュエータの寸法を変化させることを可能にする任意の他の合理的な手段によって行うことができる。これには電磁誘導または静電容量による伝達が含まれるが、これらに限定されない。以下の明細書において明らかにされるように、電気接続の手段は圧電アクチュエータをオンオフすることができ、かつ／または一方向に電流を流し、次いで他方向に、モータが動作することを可能にするのに十分な速さで電流を流すことができることが必要である。これは、一般に、「立ち上がり」時間、すなわち、圧電アクチュエータおよび／またはそれに電力を供給するキャパシタを通電するのにかかる時間、および「立ち下がり」時間、すなわち、圧電アクチュエータおよび／またはそれに電力を供給するキャパシタを通電停止するのにかかる時間と呼ばれる。

本出願の目的のために、モータは一般に、負荷に対して静止したままである部品のグループと、部品の第１グループに対して移動する部品の第２グループとを有する。部品の第１グループはまとめてステータアセンブリと呼ばれ、部品の第２グループはまとめてロータアセンブリと呼ばれる。「ロータ」または「ステータ」という単語で構成要素を事前固定することは、現在説明されている実施形態／構成において、その構成要素が、構成要素のどのグループに属するかを示す。ステータアセンブリ内の圧電アクチュエータは、ステータ圧電アクチュエータ（または単にステータアクチュエータ）であり、ステータ圧電アクチュエータに固定された磁石はステータ磁石であり、ロータアセンブリに関してはその逆である。

同時に、本出願の目的のために、磁石は、それらがステータアセンブリまたはロータアセンブリの一部であるか否かに関係なく、２つの異なるタイプの一方または両方に入るものとして説明することもできる。アクチュエータ磁石は、圧電アクチュエータによってそれらに加えられる力を有する／有するようになる磁石である。

応答磁石は、アクチュエータ磁石との磁場相互作用によってそれらに加えられる力を有する／有するようになる磁石である。１つの磁石グループのみが圧電アクチュエータに固定される場合、それらはアクチュエータ磁石であり、モータ内の残りの磁石は応答磁石である。複数の磁石グループが圧電アクチュエータに固定される場合、通電されている圧電アクチュエータに固定され、それらの磁石に力を加えさせる磁石はアクチュエータ磁石であり、そのように固定されていないか、または通電されていない圧電アクチュエータに固定されている磁石は応答磁石である。任意の所与の磁石は、モータコントローラの構成および圧電アクチュエータの通電に応じて、任意の所与の時間にアクチュエータ磁石または応答磁石またはその両方であることが可能である。ロータ磁石またはステータ磁石は、いつでも、アクチュエータ磁石、応答磁石、またはその両方であり得る。

図１を参照することにより、本発明の基本的な性質を容易に理解することができる。図１は、ブラシレス電気モータ１０を示す。外側ロータハウジング１１は、ボール１３上で自由に回転するベアリング１２を取り囲み、このベアリングは、モータと、モータが取り付けられた任意の要素およびモータが駆動する任意の要素との間の負荷を支える。内側ロータ素子１４は、ロータＮ極１５ａおよびロータＳ極１５ｂを有する複数のロータ磁石１５を有する。ロータ磁石１５には希土類磁石、強磁性体、および／または強磁性および／または希土類磁性粒子を含有するセラミック磁石を含むが、これらに限定されない、任意の適切な磁石を使用することができる。電磁石も使用することができる。電磁石が使用される場合、従来のブラシレス電気モータに見られるタイプの固体整流子によって駆動されるように極性を逆転させることを可能にすることは任意であるが、これは推奨されることでもなく要求されることでもない。

ステータアセンブリ１９は、複数のステータ圧電アクチュエータ１７を支持する中央ハブ１８からなる。ステータ圧電アクチュエータ１７は、磁石取付端部１７ａとハブ端部１７ｂとを有する。ステータ圧電アクチュエータ１７は、任意の妥当な駆動周波数でステータ圧電アクチュエータを付勢することができるスイッチング電源（図示せず）に接続される。ステータ圧電アクチュエータは通電されると、圧電効果としても知られている圧電膨張（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）の原理を用いて膨張し、これは当業者に周知である。ステータ圧電アクチュエータ１７は、その膨張が長軸に沿っているように構成され、換言すれば、ステータ圧電アクチュエータが通電されると、磁石取付端部１７ｂとハブ端部１７ａとの間の距離が増大する。

磁石取付端部１７ｂには、ステータＮ極１６ａ及びステータＳ極１６ｂを有するステータ磁石１６が取り付けられている。ステータ磁石１６は、希土類磁石、強磁性体、及び／又は強磁性粒子及び／又は希土類磁性粒子を含むセラミック磁石を含むが、これらに限定されない、任意の適切な磁石を使用することができる。電磁石も使用することができる。電磁石が使用される場合、従来のブラシレス電気モータに見られるタイプの固体整流子によって駆動されるように極性を逆転させることを可能にすることは任意であるが、これは推奨されることでもなく要求されることでもない。

ロータ磁石およびステータ磁石はそれらの最も近い点（図示のように）で対向する同じ極（Ｎ極およびＮ極またはＳ極およびＳ極）を有することが強く望まれるが、適切な構成ではロータ磁石およびステータ磁石が対向する極（Ｎ極およびＳ極またはＳ極およびＮ極）を有するように本発明を実施することが可能である。反対の極が反対に置かれる場合、モータは外部起動力を必要とすることがあり、および／または、ステータ圧電アクチュエータが千鳥状のシーケンスで通電されることが必要とされることがある。ロータ磁石、ステータ磁石、またはその両方に可逆電磁石が使用される場合、初期極性の問題は重要ではない。

図１に描かれた好ましい実施形態は、実施する準備ができた本発明を示す。ロータ磁石およびステータ磁石からの磁力は、磁石がロータ磁石とステータ磁石との間の磁気反発に関して可能な限り低いポテンシャルエネルギー状態にある平衡点にある。内側ロータ素子１４は、何らかの外部源からのエネルギーの追加がない場合、この平衡点に無期限に留まる。

本発明を実施するために、ステータ圧電アクチュエータ１７が通電される。これにより、ハブ端部１７ｂと磁石取付端部１７ａとの間の距離が大きくなり、ステータ磁石１６がロータ磁石１５に近づく。これは、ロータ磁石とステータ磁石との間の磁気反発力を増加させ、それらの間の平衡を乱す。図示の構成では磁力の平衡を非対称的に乱し、回転を開始させるように、わずかな初期回転力を付与すること、および／またはステータ圧電アクチュエータに順番に通電することが必要な場合がある。

ロータ磁石とステータ磁石との間の平衡が乱されると、システムは以前よりも大きい磁気ポテンシャルエネルギーを有し、これにより、ロータ磁石が内側ロータ１４に力を及ぼすことになる。内側ロータ素子１４は、自由に回転するので、力のバランスによって推進されるように一方向または他方向に回転する。後の図に示されるように、ロータ磁石および／またはステータ磁石の形状および配向の制御は、好ましい回転方向を可能にする。

スイッチング電源は、周波数コントローラ（図示せず）によって制御され、磁気ポテンシャルエネルギーを回転エネルギーに変換し続け、回転において内側ロータ素子１４を加速し続ける周波数で、ステータ圧電アクチュエータ１７に通電および非通電を行う。ロータ磁石にステータ磁石によって及ぼされる力を増加または減少させることで、回転速度を増加させる（一定の負荷の下で）、印加トルクを増加させる（負荷の増加の下で）、またはその両方を行うように、周波数コントローラが駆動周波数を調整することができるように、センサ（図示せず）が内側ロータ素子に動作可能に接続されるか、または他の方法で内側ロータ素子の角速度を検出することができ、周波数コントローラに検出結果を通信することが、必要ではないが好ましい。

このようなセンサが使用される場合、本発明は、極めて精密なステッピングモータ及び／又は回転位置センサとしても使用することができる。必要ではないが、絶対回転位置データを可能にするセンサも、そのような使用が望まれる場合、本発明に組み込まれることが好ましい。これにより、周波数コントローラは、内側ロータ素子がステップサイクルの開始時および終了時のどこにあるかを知ることができる。

好ましい実施形態はスイッチング電源からの電位を回転エネルギーに変換するように設計されたブラシレス電気モータとして説明されるが、圧電効果は電位を機械的な力に変換することができ、機械的な力を電位に変換することができるので、好ましい実施形態は外部負荷が内側ロータ素子を、それを平衡に保持しようとする磁力に抗して回転させる場合に、電力の発生器として働くこともできることが、当業者には明らかであろう。同様に、好ましい実施形態は、（駆動モード中の）電力から（回生制動モード中の）電力出力に切り換えることによって回生制動も提供する駆動モータとしても使用することができる。この段落に記載される代替の構成／実施形態／実施方法は全て、本出願に開示される本発明の実施形態の全てに適用可能である。

図２は、ブラシレス電気モータの第１の代替実施形態を示す。ブラシレス電気モータの第１の代替実施形態は、別段の記載がない限り、図１の実施形態と一般的に同じように動作する。それは、同様に、スイッチング電源、周波数コントローラを組み込み、センサなどを組み込むことができる。

ブラシレス電気モータ２０は、図１のステータ圧電アクチュエータ１７と同様のロータ圧電アクチュエータ２７ｂを有する。ブラシレス電気モータ２０はまた、ステータ圧電アクチュエータ２７ａを有する。いずれの構成も、単一（内側および外側）の圧電アクチュエータグループ、または二重（内側および外側）の圧電アクチュエータグループを用いて実施されることは、推奨されることでも必要でもなく、２つの構成は、開示を明確にするために示されている。

ステータ圧電アクチュエータ２７ａまたはロータ圧電アクチュエータ２７ｂのいずれかが通電されると、ロータ磁石２５がステータ磁石２６に向かって押され、図１のように、磁気反発力が増加し、ロータ圧電アクチュエータに対抗する力が生じる。ロータ圧電アクチュエータは外側ケーシング２１に固定される。この外側ケーシングは、軸受５２（図示せず、図５参照）上のハブ２９に対して自由に回転する。軸受５２は、ボール２３を含むレース２２を含む。ボール２３は、荷重を支持し、固定中心軸受素子２８に対する回転中心軸受素子２４の回転を可能にする。

所望の動作方法に応じて、ステータ圧電アクチュエータはロータ圧電アクチュエータと協働して作動させることができ、または圧電アクチュエータの１つまたは他のグループのみが、任意の所与の時間に作動させることができる。両方を同時に作動させることでトルク／回転速度を増加させることができ、一つまたは他方のみを作動させることはより低い出力モードのために使用できる。代替的に、圧電アクチュエータの１つのグループは、入力電力を送達するために配線され得る（モータ駆動）。他のグループは、出力電力を受けるために配線され得る（発電／回生制動）。圧電アクチュエータのグループはまた、各グループ内のアクチュエータのいくつかが入力電力を送達するために優先的に使用され、いくつかが出力電力を受けるために優先的に使用されるように配線され得る。最後に、特定のグループ内の圧電アクチュエータの全てまたは全てより少ないものは、任意の所与の時間に起動されて、任意の特定の所要量の入力電力を送達し、または任意の特定の所要量の出力電力を受け取る。これにより、電力の流れを制御し、および／または個々の構成要素が作動および停止を繰り返す際の、個々の構成要素の疲労を低減する追加の手段を提供できる。

図３は、第１の代替的な実施形態を切り欠き図で示す。図２と同じ部品を有するブラシレス電気モータ２０は、バッキングプレート３３およびハウジング３１によって囲まれる。一方、ハブ２９（図２参照）および／または回転中心軸受素子２４に動作可能に取り付けられた中空シャフト３２は機械的回転エネルギー（モータモード）の入力または機械的回転エネルギー（発生／回生ブレーキモード）の入力のいずれかを可能にする。

図４は、一対の対向する圧電アクチュエータおよびそれらの対応する磁石を詳細に示す。ステータ圧電アクチュエータ２７ｂは、ステータＮ極２５ａとステータＳ極２５ｂとを有するステータ磁石２５に固定される。ロータ圧電アクチュエータ２７ａは、ロータＮ極２６ａとロータＳ極２７ａとを有するロータ磁石２６に固定される。必須ではないが、ロータ磁石及びステータ磁石は互いに非対称であり（すなわち、ロータ磁石はステータ磁石と対称ではなく、ここでは異なるサイズとして示されている）、最小化された磁気ポテンシャルエネルギーの位置にシステムが「ロック」する傾向を克服し易くすることが好ましい。磁石は対称ではないので、磁石が互いに対して動かされるとき、対応する磁場は一方向により多く押す傾向があり、そのようなロック対称性を克服する。

図５は開示を明確にするために、本発明の第１の代替的な実施形態のより完全なアセンブリを示す。軸方向ボルト５１はアセンブリを一緒に保持し、回転素子を中心に保持する。軸受５２は、回転中心軸受素子２４、レース２２、ボール２３、および固定中心軸受素子２８を組み込んでいる（より詳細には図２を参照されたい）。

図６は、ロータ磁石およびステータ磁石のより複雑な構成を有するブラシレス電気モータの第２の代替実施形態を示す。この構成は必須ではないが、複雑さと製造コストが高くなることと引き換えに本発明の実施にいくつかの利益を提供するので、幾分か好ましい。

ブラシレス電気モータ６０は、ロータアセンブリ６１４とステータアセンブリ６１８とを備える。ロータアセンブリをステータアセンブリに回転自在に固定するのは、中心点６１１を中心として回転するベアリング６５２である。軸受６５２には、１つ以上のステータ圧電素子が機械的に固定されている。ステータ圧電素子６１９を含む６つのステータ圧電素子を有する構成を示す。ステータ圧電素子には、ステータ磁石素子６４０などのステータ磁石素子が機械的に固定される。ステータ磁石素子は、ステータ磁石Ｎ極６１７ａおよびステータ磁石Ｓ極６１７ｂを有するステータ磁石６１７のような、Ｎ極およびＳ極を有する１つまたは複数の磁石を備える。ステータ磁石素子と１つ以上のロータ磁石素子との間には、間隙が存在する。ロータ磁石素子６４２を含むこのようなロータ磁石素子を６つ有する構成が示されている。各ロータ磁石素子には、ロータ磁石Ｎ極６１６ａとロータ磁石Ｓ極６１６ｂを有するロータ磁石６１６のような、１つ以上のロータ磁石が含まれる。

本発明を実施するためには先に説明した実施形態と同様に、ステータ圧電アクチュエータ６１９のようなステータ圧電アクチュエータの１つまたは複数が、周波数コントローラ（図示せず）によって制御されるスイッチング電源（図示せず）によって通電される。これにより、例えばステータ圧電アクチュエータ６１９は、通電されたときに膨張軸６１９ａに沿って膨張し、対応するステータ磁石素子が１つ以上のロータ磁石素子に近づく。これにより、ステータおよびロータ磁性素子の磁場の向きが変化し、対応するステータ磁性素子がロータ磁性素子に力を加え、これによりロータ磁石素子がハウジング６１２に力を加え、ロータアセンブリ６１４全体がステータアセンブリ６１８に対して軸受６５２上の中心点６１１の周りを回転する。この回転力は、中空シャフト６３２（図示せず、図７参照）を介して外部負荷に伝達される

各ロータ磁石素子が作動中または非作動中の任意の特定の時間にステータ磁石素子と幾何学的に厳密に対向することは必要とされず、実際には、非作動中の平衡がある程度のオフセットをもたらす可能性が高い。各ステータ磁石素子に対してロータ磁石素子が存在することが強く好ましく、逆もまた同様である。ロータ磁石素子とステータ磁石素子との間には、ロータ磁石素子が任意の妥当な量の軸受荷重、回転速度、または過渡振動荷重の下でステータ磁石素子に接触することなく自由に移動することを可能にするのに十分なギャップが存在することが必要とされる。

示された磁石の構成は個々の磁石間の磁気引力により実質的に安定であるが、各ロータ磁石素子およびステータ磁石素子内の磁石は所望の整列を維持し、荷重下での、または振動もしくは他の過渡現象によるシフトを防止するために、エポキシ樹脂で接着されるか、または他の方法で互いに物理的に固定されることが好ましい。

ロータ磁石素子およびステータ磁石素子に示されるような磁石の重なり合う構成を使用することは必須ではないが、ブラシレス磁気モータにおける全体的な磁場構造における非対称性を最小限に抑えることになるので、強く好ましい。

図７は開示を明確にするために、本発明の第２の代替実施形態のより完全なアセンブリを、図２のような任意選択のセットのステータ圧電アクチュエータの追加と共に示す（より詳細には図６を参照されたい）。軸ボルト６５１はアセンブリを一緒に保持し、素子を中心に保つ。コンデンサアレイボルト６８０は、ねじ付き受け部６８１によってコンデンサアレイ６５６をベース素子６８２に固定する。従来の容量性プレートとして示されているが、真空管コンデンサなどの任意の所望の手段の電流の容量性誘導を使用することができる。

説明のために、ベース素子６８２は静止物として指定されるものに固定され、したがって、ベース素子６８２はステータアセンブリの一部を形成するものと仮定される。例えば、電動車両の車輪を駆動するためにモータ６０が使用される場合、ベース素子６８２は最終的に車両のシャーシに静的に固定され、一方、ハウジング６１２は最終的に車両の車輪に静的に固定される。

ステータアセンブリに対して回転しないコンデンサアレイ６８０は、コンデンサプレートプレート６５８のようなコンデンサプレートを含む。各コンデンサプレートは、コンデンサギャップ６５７ａおよび６５７ｂのようなギャップによって分離される。

コンデンサアレイは、ロータ圧電アクチュエータ６２１などの１つまたは複数のロータ圧電アクチュエータを含むロータ圧電アレイ６２１に電圧を印加する。ロータ圧電アクチュエータは、１つ以上の（任意選択の）ロータ磁気ブラケット６７８、各ロータ磁気ブラケットがロータ周表面６６２を備え、（任意の）ロータ垂直ガイド６６１ａおよび６６１ｂに機械的に固定され、すべてのロータ磁石ブラケットがロータ磁石アセンブリ６６０を形成する。直接または（任意選択の）ロータ磁石ブラケットを介して、ロータ圧電アクチュエータに機械的に固定されるのはロータ磁石素子６４２などの１つまたは複数のロータ磁石素子であり、各ロータ磁石素子はロータ磁石６１６などの１つまたは複数のロータ磁石を備え、ロータ磁石素子のすべてがロータ磁石アセンブリ６７２を形成する。

通電されると、ロータ圧電アクチュエータは（最終的にハウジング６１２を含むロータアセンブリの残りの固定位置に対して膨張することができないので）モータ６０の中心に向かって膨張し、ロータ磁石素子をステータ磁石素子に向かって押し（以下を参照）、前述したように磁力を付与する（図１、２、および６を参照）。これは最終的に、ハウジング６１２を含むロータアセンブリを回転させ、中空シャフト６３２を通して回転力が働くことを可能にする。ロータ圧電アクチュエータは所望されるように、かつ負荷および条件に適するように、一度に１つずつ、全て一緒に、または順番に、通電することができる。ロータ圧電アクチュエータは、ステータ圧電アクチュエータ（下記参照）に通電することなく、又はそれらと協働して通電することができる。

ロータ磁石アセンブリ６７２は、ステータ磁石アセンブリ６７０を半径方向に取り囲む。ロータ磁石アセンブリはギャップ（図示せず、図７ｂ参照）によってステータ磁石アセンブリから分離されている。ステータ磁石アセンブリ６７０は、ステータ磁石素子６４０などの１つまたは複数のステータ磁石素子を備え、各ステータ磁石素子はステータ磁石６１７などの１つまたは複数のステータ磁石を備える。ステータ磁石素子は、ステータ圧電アクチュエータ６１９などの１つまたは複数のステータ圧電アクチュエータを含むステータ圧電アセンブリ６６９に、直接的に、または（任意選択の）ステータ磁石ブラケットアセンブリ６５５を介して、機械的に固定される。（任意選択で）ステータ磁石ブラケットアセンブリ６５５は、ステータ磁石ブラケット６７６のような１つ以上のステータ磁石ブラケットで構成される。各ステータ磁石ブラケットは、ステータ周表面６５４のようなステータ周表面および（任意の）ステータ磁石ブラケット６５３ａおよび６５３ｂを含む。

通電されると、ステータ圧電アクチュエータは（ステータアセンブリの残りの固定位置に向かって膨張することができないので）モータ６０の外周に向かって膨張し、ステータ磁石素子をロータ磁石素子に向かって押し、前述したように（図１、２、および６を参照）磁力を付与する。これは、最終的に、ハウジング６１２を含むロータアセンブリを回転させ、中空シャフト６３２を通して回転力が働くことを可能にする。ステータ圧電アクチュエータは所望されかつ負荷および条件に適するように、一度に１つずつ、全て一緒に、または順番に、通電することができる。ステータ圧電アクチュエータは、ロータ圧電アクチュエータに通電することなく、または、ロータ圧電アクチュエータと協働して通電することができる。

図７ａは開示を明確にするために、アセンブリの代替フェーズにおける図７の構成を示す。ハウジング６１２は、コンデンサアレイ６５６がコンデンサアレイボルト６８０でベース素子６８２に固定される準備ができた状態で、モータアセンブリの残りの部分の上に配置される準備ができている。ロータおよびステータ素子は組み立てられ、例えば、ロータ周表面６６２に取り付けられたロータ圧電アクチュエータと、ステータ周表面６５４に取り付けられたステータ圧電アクチュエータとが組み立てられ、両方とも、それぞれのアセンブリに挿入される準備ができている。

図７ｂは開示を明確にするために、図７の構成を切り欠き図で示す。ハウジング６１２は軸方向ボルト６５１によって軸方向に固定されるが、軸受６５２および６８３によってのみ機械的に接続されるので、ベース素子６８２に対して自由に回転する。ロータ磁石素子６４２は、ギャップ６９０によってステータ磁石素子６４０から分離される。ギャップ６９０のサイズは、ステータ圧電アクチュエータ６１９および／またはロータ圧電アクチュエータ６２１に通電することによって変更することができる。圧電アクチュエータがギャップ６９０のサイズを変化させると、ロータ磁石素子およびステータ磁石素子の磁界の相対的な向きが変化する。これは磁石素子間に磁力を及ぼすが、ロータ磁石素子（最終的にハウジング６１２に接続される）のみが動くことができるので、この力はハウジング６１２を動かし、回転運動が中空シャフト６３２に、したがって、車軸、車輪、または任意の他の回転部材もしくは所望の回転負荷に付与されることを可能にする。

図８は、本発明の第３の代替実施形態を示す。この実施形態では、複数の特有の磁石ではなく、ロータ磁石は複数の磁性領域を有するように構造化されたロータ磁性材料の単一ピースを備え、各磁性領域はＮ極およびＳ極を有する。同様に、複数の磁性領域を有するステータ磁性材料の２つの個々の部品が存在する。ステータ磁性材料の各ピースは、単一の圧電アクチュエータの一端に取り付けられる。

ブラシレス電気モータ８０は、ロータアセンブリ８２と、ステータ磁石アセンブリ８４および８７と、ＰＣＢ９２に動作可能に固定された圧電アクチュエータ８１０（図９を参照）とを備える。ロータアセンブリ８２は全てのステータアセンブリ部品に対して自由に回転することができ、回転荷重（図示せず）がモータと共に加速することが望まれる任意の物に取り付けられる。磁性領域を有する磁性材料（または所望に応じて非磁性材料で囲まれた磁性材料の内側セクションを有しても良い）から構成される。各磁性領域は、ロータＮ極８２ａおよび８２ｂ、ならびにロータＳ極８３ａおよび８３ｂのようなＮ極およびＳ極を有する。ギャップ（図９参照）によって分離されたロータアセンブリの磁性材料の反対側には、ステータ磁石アセンブリ８４および８７がある。

単一のステータ磁石アセンブリを用いて本発明のこの実施形態を構成することが可能であるが、バランスの目的のために示されるような２つの対称ステータ磁石アセンブリを使用し、圧電アクチュエータの効率を最大にすることが強く望まれる。第１ステータ磁石アセンブリ８４は、ロータ部８２と同様に、全体または一部が複数の磁性領域を有する磁性材料から構成される。各磁性領域は、ステータＮ極８５ａおよび８５ｂならびにロータＳ極８６ａおよび８６ｂなどのＮ極を有する。第２のステータ磁石アセンブリ８７は同様に、全体的にまたは部分的に、複数の磁性領域を有する磁性材料から構成される。各磁性領域は、ステータＮ極８５ａおよび８５ｂならびにステータＳ極８６ａおよび８６ｂなどのＮ極を有する。

図９は開示をさらに明確にするために、本発明の第３の代替実施形態の切り欠き図を示す。ブラシレス電気モータ８０は、様々なモータアセンブリ（図８参照）を分離するギャップ９１を有し、平面負荷がロータ磁石アセンブリおよびステータ磁石アセンブリの磁界によって維持されるギャップに実質的に影響を及ぼさない限り、モータが非接触磁気軸受としても機能することを可能にする。これは、本明細書に開示される本発明のいくつかの実施形態および構成のさらなる利点である。ＰＣＢ９２は、圧電アクチュエータ８１０に機械的および電気的に固定され、スイッチング電源（図示せず）からの電位を提供するプリント回路基板である

必要に応じて、モータを冷却するために、アセンブリの周りに、または場合によってはギャップを通って、強制的に流体を循環させることができる。しかし、多くの圧電デバイスは比較的高い動作温度に達したとき、実際にはより良好に作動するので、冷却の必要性は多くの用途において最小限である。これは、本発明の別の利点である。本発明のすべての実施形態および構成では、使用される永久磁石の減磁を回避するのに十分に低い動作温度を維持することが必要である。これは、様々な種類の磁性材料が異なる減磁閾値を有するので、ばらつきがある。（たとえば、フェライト磁石の中には２５０℃までの温度に耐えられるものもあれば、希土類磁石の中には１００℃までの温度にしか耐えられないものもある。）

本発明のこの実施形態を実施するために、ＰＣＢ９２に電気的に接続された圧電アクチュエータ８１０に電位が印加される。これは、圧電アクチュエータ８１０をその長軸に沿って膨張させ、ステータ磁石アセンブリおよびロータアセンブリの相対位置を変化させる。これにより、ロータアセンブリに電磁力が作用し、ロータアセンブリとステータアセンブリとの間の磁気ポテンシャルエネルギーを最小限に抑える位置まで回転する。圧電アクチュエータ８１０を横切る電位は、次いで、除去および／または逆転され、その長軸に沿って圧電アクチュエータ８１０を収縮させ、様々な磁石アセンブリの相対位置を再び変化させ、より多くの回転エネルギーをロータアセンブリに付与する。スイッチング電源（図示せず）は、先に説明した実施形態のように、圧電アクチュエータの両端の電位を連続的に循環させて、所望の回転エネルギーを生成する。

ロータアセンブリもしくはステータアセンブリのいずれか、または両方が前述の構成のように複数の磁石を備えることは任意選択であるが、これは推奨されることでもなく必須でもない。（図１、図２、および／または図６を参照）ロータアセンブリおよびステータアセンブリが図示のように構成される限り、単一の圧電アクチュエータを組み込んだこの第３の代替実施形態の構成は機能し、本発明の利点を提供する。

ここで、説明される実施形態のいずれにも適用され得る、本発明の代替構成が開示される。

本発明の第１の代替構成（図示せず）では、好ましい実施形態または第１の代替実施形態のいずれかの、ロータ磁石の一部または全部、またはステータ磁石の一部または全部が、電磁石に置き換えられる。

本発明の第２の代替的な構成（図示せず）では、圧電アクチュエータが付勢されたときに圧電アクチュエータが弾性部材に対して作用し、圧電アクチュエータを圧縮し、弾性ポテンシャルエネルギーを生成するように、１つまたは複数の弾性部材がモータアセンブリに嵌合される。その結果、圧電アクチュエータへの通電が停止したときに、圧電アクチュエータに取り付けられた磁石がより迅速に、かつ、弾性ポテンシャルエネルギーが圧電アクチュエータに推進力を提供するときに圧電アクチュエータの両端に逆極性電位を付与する必要なしに、圧電アクチュエータの前の位置に戻る。

本発明の第３の代替構成（図示せず）では、第１および第２の構成の特徴が組み合わされる。

本発明およびその好ましい実施形態は回転モータに関して説明されているが、本発明によって教示される原理は求心力の代わりに線形力を生成するために対向する磁気素子の圧電誘導の基本原理を使用することによって、往復モータなどの線形モータを生成するために使用され得ることが、当業者には明らかであろう。したがって、以下の特許請求の範囲は、必要に応じて、回転構成および線形構成の両方を含む。

以上、本発明の様々な実施形態及び構成について説明したが、これらは例示に過ぎず、限定するものではないことを理解されたい。したがって、本発明の広がりおよび範囲は、上記の例示的な実施形態のいずれによっても限定されるべきではない。

本出願は、全体として、要約、明細書、及び図面が組み合わされて、本明細書に開示される本発明を実施するための十分な情報を当業者に提供する。本発明を実施するために必要な任意の手段は、当業者が本開示を慎重に検討すれば、十分に当業者の技術の範囲内である。

本開示により、および本開示のみによって、この装置及び方法の修正は、この特定の技術分野の当業者には明らかになり得る。そのような修正は、本開示によって明確に網羅される。

Claims (22)

1. ブラシレス電気モータであって、
   ａ）少なくとも１つの圧電アクチュエータを有する、少なくとも１つの圧電アクチュエータのグループであって、前記圧電アクチュエータの全ては電源に電気的に接続された、圧電アクチュエータのグループと、
   ｂ）少なくとも１つのアクチュエータ磁石を有するアクチュエータ磁石のグループであって、前記少なくとも１つの圧電アクチュエータの各々が機械的に固定される、アクチュエータ磁石のグループと、
   ｃ）応答磁石のグループであって、可変ギャップを持って分離された前記第１の複数の圧電素子に物理的に対向し、前記複数の圧電アクチュエータのうちの１つ以上が前記電源によって通電されたときに、前記可変ギャップのサイズが変化する、応答磁石のグループと、
   ｄ）可動アセンブリと静止アセンブリを含むモータアセンブリであって、前記可動アセンブリは前記アクチュエータ磁石のグループまたは前記応答磁石のグループのいずれかに機械的に固定され、前記静止アセンブリは、前記アクチュエータ磁石のグループまたは前記応答磁石のグループのうち前記可動アセンブリが機械的に固定されていないグループに機械的に固定され、前記可変ギャップのサイズが変化したときに、前記可動アセンブリに磁力が作用し、前記可動アセンブリを前記静止アセンブリに対して移動させる、モータアセンブリと、を備えたブラシレス電気モータ。
2. 前記圧電アクチュエータは１つのみであり、前記圧電アクチュエータは１つのみであり、前記アクチュエータ磁石は１つのみであり、前記アクチュエータ磁石は２つのアクチュエータ磁石である、請求項１に記載のブラシレス電気モータ。
3. 前記応答磁石のグループは単一の磁性材料片を含み、前記単一の磁性材料片は複数の磁性領域を有し、各磁性領域は、局所的なＮ極および局所的なＳ極を有する、請求項１に記載のブラシレス電気モータ。
4. 前記応答磁石のグループは単一の磁性材料片を備え、前記単一の磁性材料片は複数の磁性領域を有し、各磁性領域は局所的なＮ極および局所的なＳ極を有する、請求項２に記載のブラシレス電気モータ。
5. ｅ）少なくとも１つのアクチュエータプレートを備えたアクチュエータプレートのグループをさらに備え、前記アクチュエータプレートのグループは、前記電源に接続され、前記ブラシレス電気モータのハウジングに機械的に取り付けられ、前記コンデンサプレートのグループが前記電源によって通電されると、前記圧電アクチュエータのうちの１つまたは複数とコンデンサ回路を形成し、前記コンデンサ回路内の前記圧電アクチュエータに電流を誘導させる、請求項１に記載のブラシレス電気モータ。
6. 前記圧電アクチュエータのグループを２つ有し、
   ｅ）ステータ圧電アクチュエータのグループを形成する第１グループの圧電アクチュエータであって、各ステータ圧電アクチュエータはステータ磁石に機械的に固定された、第１グループの圧電アクチュエータと、
   ｆ）ロータ圧電アクチュエータのグループを形成する第２グループの圧電アクチュエータであって、各ロータ圧電アクチュエータはロータ磁石に機械的に固定された、第２グループの圧電アクチュエータと、をさらに備えた、請求項１に記載のブラシレス電気モータ。
7. ｇ）少なくとも１つのアクチュエータプレートを備えたアクチュエータプレートのグループをさらに備え、前記アクチュエータプレートのグループは、前記電源に接続され、前記ブラシレス電気モータのハウジングに機械的に取り付けられ、前記コンデンサプレートのグループが前記電源によって通電されると前記圧電アクチュエータのうちの１つまたは複数とコンデンサ回路を形成し、前記コンデンサ回路内の前記圧電アクチュエータに電流を誘導させる、請求項６に記載のブラシレス電気モータ。
8. アクチュエータ磁石の各グループが２つの端部を有し、アクチュエータ磁石の各グループ内のアクチュエータ磁石が互いに重なり合って、組み合わされたアクチュエータ磁界を生成し、アクチュエータ磁石のグループ内のアクチュエータ磁石の各々がＮ極およびＳ極を有し、任意の特定のアクチュエータ磁石のＳ極が、前記２つの端部の１つに近接しているか、または当該アクチュエータ磁石のグループ内の別のアクチュエータ磁石のＮ極に近接しており、任意の特定のアクチュエータ磁石のＮ極が、前記２つの端部の１つに近接しているか、または当該アクチュエータ磁石のグループ内の別のアクチュエータ磁石のＳ極に近接している、請求項１に記載のブラシレス電動モータ。
9. 前記アクチュエータ磁石の各グループの前記アクチュエータ磁石は接着剤によって固定され、前記接着剤は前記アクチュエータ磁石を一定の向きに固定する、請求項８に記載のブラシレス電気モータ。
10. 前記圧電アクチュエータのグループを２つ有し、
    ｆ）ステータ圧電アクチュエータのグループを形成する第１グループの圧電アクチュエータであって、各ステータ圧電アクチュエータがステータ磁石に機械的に固定された、第１グループの圧電アクチュエータと、
    ｇ）ロータ圧電アクチュエータのグループを形成する第２グループの圧電アクチュエータであって、各ロータ圧電アクチュエータがロータ磁石に機械的に固定された、第２グループの圧電アクチュエータと、をさらに備えた、請求項５に記載のブラシレス電気モータ。
11. アクチュエータ磁石の各グループが２つの端部を有し、アクチュエータ磁石のグループ内のアクチュエータ磁石が互いに重なり合って、組み合わされたアクチュエータ磁界を生成し、アクチュエータ磁石のグループ内のアクチュエータ磁石の各々がＮ極およびＳ極を有し、任意の特定のアクチュエータ磁石のＳ極が、前記２つの端部の１つに近接しているか、または当該アクチュエータ磁石のグループ内の別のアクチュエータ磁石のＮ極に近接しており、任意の特定のアクチュエータ磁石のＮ極が、前記２つの端部の１つに近接しているか、または当該アクチュエータ磁石のグループ内の別のアクチュエータ磁石のＳ極に近接している、請求項５に記載のブラシレス電気モータ。
12. 前記アクチュエータ磁石の各グループの前記アクチュエータ磁石は接着剤によって固定され、前記接着剤は前記アクチュエータ磁石を一定の向きに固定する、請求項１１に記載のブラシレス電気モータ。
13. ｅ）少なくとも１つの圧電アクチュエータに機械的に固定された弾性部材のグループをさらに備え、圧電アクチュエータが通電されると、弾性部材は弾性ポテンシャルエネルギーを獲得し、圧電アクチュエータへの通電が停止されると、弾性ポテンシャルエネルギーは、圧電アクチュエータを押す弾性力に変換される、請求項１に記載のブラシレス電気モータ。
14. ｅ）少なくとも１つの圧電アクチュエータに機械的に固定された弾性部材のグループをさらに備え、圧電アクチュエータが通電されると、弾性部材は弾性ポテンシャルエネルギーを獲得し、圧電アクチュエータへの通電が停止されると、弾性ポテンシャルエネルギーは、圧電アクチュエータを押す弾性力に変換される、請求項２に記載のブラシレス電気モータ。
15. ｆ）少なくとも１つの圧電アクチュエータに機械的に固定された弾性部材のグループをさらに備え、圧電アクチュエータが通電されると、弾性部材は弾性ポテンシャルエネルギーを獲得し、圧電アクチュエータへの通電が停止されると、弾性ポテンシャルエネルギーは、圧電アクチュエータを押す弾性力に変換される、請求項５に記載のブラシレス電気モータ。
16. ｅ）少なくとも１つの圧電アクチュエータに機械的に固定された弾性部材のグループをさらに備え、圧電アクチュエータが通電されると、弾性部材は弾性ポテンシャルエネルギーを獲得し、圧電アクチュエータへの通電が停止されると、弾性ポテンシャルエネルギーは、圧電アクチュエータを押す弾性力に変換される、請求項８に記載のブラシレス電気モータ。
17. ブラシレス電気モータであって、
    ａ）少なくとも１つの静止圧電アクチュエータを備えた、少なくとも１つの静止圧電アクチュエータのグループであって、静止圧電アクチュエータの全てが電源に電気的に接続された、静止圧電アクチュエータのグループと、
    ｂ）少なくとも１つの静止磁石を備えた静氏磁石のグループであって、前記少なくとも１つの静止圧電アクチュエータの各々は前記静止磁石のグループに機械的に固定された、静止磁石のグループと、
    ｃ）少なくとも１つの可動圧電アクチュエータを備えた、少なくとも１つの可動圧電アクチュエータのグループであって、可動圧電アクチュエータの全てが電源に電気的に接続された、可動圧電アクチュエータのグループと、
    ｄ）少なくとも１つの可動磁石を備えた、可動磁石のグループであって、前記少なくとも１つの可動圧電アクチュエータの各々は前記可動磁石のグループに機械的に固定された、可動磁石のグループと、
    ｅ）可動アセンブリおよび静止アセンブリを有するモータアセンブリであって、前記可動アセンブリは、前記可動圧電アクチュエータのグループに機械的に取り付けられ、前記静止アセンブリは前記静止圧電アクチュエータのグループに機械的に取り付けられ、前記可動磁石のグループと前記静止磁石のグループとの間に可変ギャップが存在し、前記可変ギャップのサイズが変化すると、磁力が前記可動アセンブリに加えられ、前記可動アセンブリを前記静止アセンブリに対して移動させる、モータアセンブリと、を備えたブラシレス電気モータ。
18. ｆ）弾性部材のグループをさらに備え、前記弾性部材は前記圧電アクチュエータが通電されると、前記弾性部材が弾性ポテンシャルエネルギーを獲得し、前記圧電アクチュエータへの通電が停止されると、前記弾性ポテンシャルエネルギーが弾性力に変換され、前記弾性ポテンシャルエネルギーは、前記圧電アクチュエータに押し付けられる弾性力に変換される。請求項１７に記載のブラシレス電気モータ。
19. ｆ）少なくとも１つの付勢コンデンサプレートを含む付勢コンデンサプレートのグループをさらに備え、前記アクチュエータプレートのグループは前記電源に接続され、前記ブラシレス電気モータのハウジングに機械的に固定され、前記コンデンサプレートのグループは、前記電源によって付勢されると前記圧電アクチュエータのうちの１つまたは複数とコンデンサ回路を形成し、前記コンデンサ回路内の前記圧電アクチュエータに電流を誘導させる、請求項１７に記載のブラシレス電気モータ。
20. 静止磁石の各グループおよび／または可動磁石の各グループは少なくとも２つの磁石を含む磁石のグループであり、磁石の各グループは２つの端部を有し、磁石の各グループ内の磁石は互いに重なり合って、組み合わされた磁界を生成し、磁石のグループ内の磁石の各磁石はＮ極およびＳ極を有し、任意の特定の磁石のＳ極は、前記２つの端部のうちの１つまたは磁石の同じグループ内の別の磁石のＮ極に物理的に近接しており、任意の特定の磁石のＮ極は、前記２つの端部のうちの１つまたは磁石の同じグループ内の別の磁石のＳ極に物理的に近接している、請求項１７に記載のブラシレス電気モータ。
21. 前記圧電アクチュエータは、容量性接続部を用いて前記電源に電気的に接続され、前記圧電アクチュエータの少なくとも１つがコンデンサの第１の端子を形成し、前記電源に電気的に接続された容量性表面が前記コンデンサの第２の端子を形成し、前記容量性表面はギャップによって少なくとも１つの圧電アクチュエータから分離され、前記第２の容量性表面が前記電源によって通電されると、少なくとも１つの圧電アクチュエータに電流が誘導され、少なくとも１つの圧電アクチュエータを通電する、請求項１に記載のブラシレス電気モータ。
22. 前記圧電アクチュエータは、容量性接続部を用いて前記電源に電気的に接続され、前記圧電アクチュエータの少なくとも１つに電気的に接続された第１の容量性表面がコンデンサの第１の端子を形成し、前記電源に電気的に接続された第２の容量性表面が前記コンデンサの第２の端子を形成し、前記第１および第２の端子はギャップによって分離され、前記第２の容量性表面が前記電源によって通電されると、前記第１の容量性表面に電流が誘導され、少なくとも１つの圧電アクチュエータを通電する、請求項１に記載のブラシレス電気モータ。
    

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